ژئو پلیمر Geopolymer چیست؟

دسته: مقالات منتشر شده در 17 فروردين 1399
نوشته شده توسط Admin بازدید: 4638

ژئوپلیمر ها یا زمین بسپارها، یکی از زیر مجموعه های پلیمر های غیر ارگانیک

ژئو پلیمر ها انواعی از مواد سرامیک مانند و غیر ارگانیک می باشند که می توانند شبکه های بدون شکل و بلند بردی را ایجاد کنند. تکه های آبگینه های کانی نیز بخش هایی از ترکیبات این نوع از بسپارها را تشکیل می دهند اما ممکن است از محصولات تجاری ساخته شده از ژئوپلیمر ها به منظور تولید پوشش های مقاوم در برابر حرارت و گرما، چسب ها، محصولات پزشکی، سرامیک های مقاوم در برابر گرما، بایندر های جدید برای ترکیبات فیبری مقاوم در برابر آتش، کپسوله سازی زباله های رادیواکتیو و سمی و سیمان های جدید برای تولید بتن استفاده کرد. خواص و مصارف ژئوپلیمر ها در بسیاری از علوم و رشته‌های صنعتی مشخص می‌شود مانند فناوری‌های مدرن شیمی فیزیکی، شیمی کلوئید، معدن شناسی، زمین شناسی و سایر فناوری های مهندسی. ژئوپلیمر ها بخشی از علم پلیمر شیمی و فناوری را تشکیل می دهند که خود می تواند حوزه بسیار گسترده ای از علم مواد را به وجود آورد. پلیمرها معمولاً به دو دسته ارگانیک همانند پلیمر های کربنی و یا غیر ارگانیک مانند انواع سیلیکونی تقسیم بندی می شود. پلیمرهای ارگانیک شامل انواعی از پلیمرهای طبیعی مانند لاستیک و سلولز، پلیمرهای ارگانیک ترکیبی مانند فیبرهای پارچه ای، پلاستیک، فیلم، الاستومر و غیره و پلیمرهای زیستی طبیعی همانند بیولوژی پزشکی و داروسازی می‌شود. مواد خامی که معمولاً در سنتز پلیمر های سیلیکونی نقش دارند همان مواد معدنی هستند که در شکل گیری سنگ ها نیز دخالت دارند و در حوزه ی زمین شناسی جای میگیرند که معادل واژه ی ژئو پلیمر است. Joseph Davidovits در سال ۱۹۷۸ این واژه را انتخاب کرد و یک موسسه علمی فرانسوی غیرانتفاعی با نام موسسه ژئوپلیمر را تاسیس کرد. ژئوپلیمر ها این قابلیت را دارند که به دو دسته بزرگ تقسیم شوند با نام های ژئوپلیمر های غیر ارگانیک خالص و ژئوپلیمر های حاوی مواد ارگانیک که مشابه با مولکول های غول پیکری هستند که به صورت طبیعی نیز وجود دارند. در این بخش ژئوپلیمر نوعی ترکیب شیمیایی معدنی و یا ترکیبی از موادی است که حاوی واحدهای تکراری می باشند مانند سیلیکو اکسید (-Si-O-Si-O-)، سیلیکو آلومینات (-Si-O-Al-O-)، فرو سیلیکو آلومینات (-Fe-O-Si-O-Al-O-) یا آلومینو فسفات (-Al-O-P-O-) که از طریق فرایند بسپارشی ژئو تولید می شود. سنتز معدنی این ماده اولین بار در نشست اتحادیه بین‌المللی شیمی کاربردی و خالص در سال ۱۹۷۶ ارائه شد. ریزساختار ژئوپلیمر ها کاملا وابسته به دما می باشد: ژئوپلیمر ها در دمای اتاق حالتی جامد و بدون شکل دارند ولی در صورتی که در معرض دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد قرار بگیرند به یک ماتریس بلورینی تبدیل خواهند شد. در اغلب موارد می‌توان با توجه به این دو مورد روش سنتزی ماده را تشخیص داد: در یک محیط قلیایی و یا در یک محیط اسیدی با فسفریک اسید و کربوکسیلیک اسید ارگانیک (که از عصاره گیاهان گرفته می شود). تحقیق توسعه و تولید محصولات تجاری ژئوپلیمری معمولاً توسط روش قلیایی صورت گرفته و در این بخش نیز به آن پرداخته می شود.

 

ژئوپلیمر به چه ماده ای گفته می شود؟

Viktor Glukovsky در دهه 50 میلادی نوعی مواد بتنی را توسعه داد که با نام بتن های سیلیکاتی خاکی و یا سیمان های خاک شناخته می شوند. اما از زمانی که ایده ژئوپلیمر ها توسط Joseph Davidovits معرفی شد توصیف این دسته از پلیمرها بسیار متنوع تر شده و حتی کمی گیج کننده به نظر می‌رسد.

تعریف واژه ژئو پلیمر برای شیمیدان ها ژئو پلیمرها شامل یک چهار چوب پلیمری Si–O–Al می باشند و شباهت زیادی با زیولیت دارند. تفاوت اصلی این مواد با زیولیت ها در آن است که ژئوپلیمر ها به جای حالت بلورین حالتی بدون شکل و کدر دارند. ریز ساختار ژئوپلیمر ها در مقیاس نانو از خوشه های آلومینوسیلیکات تشکیل شده است و در داخل آنها نیز حفره‌هایی وجود دارد که در یک شبکه کاملا متخلخل توزیع شدند. اندازه خوشه ها نیز معمولاً بین ۵ تا ۱۰ نانومتر می باشد.

 

سنتز ژئوپلیمر ها چگونه صورت میگیرد؟

در سال ۱۹۳۷ W. L. Bragg متدی برای طبقه بندی تمام انواع سیلیکات ها و ساختارهای بلورین آنها بر پایه ایده‌ای از تئوری یونی داده شده توسط Linus Pauling. را چاپ کرد. واحد اصلی این مواد ترکیبات چهار وجهی می‌باشند که از کاتیونهای کوچک مانند Si4+ یا Al3+ به همراه چهار اکسیژن تشکیل شدند. نیازمندیهای شیمی ژئوپلیمرها توسط مکانیزم های ارتباطی کووالانسی کنترل می‌شود و همکاری یونی برای این روش مناسب نمی باشد. تفاوت بین مفهوم یونی و پیوند های کووالانسی بسیار زیاد می‌باشد.

 

آغاز بسپارش ژئوپلیمر ها توسط الیگومر ها

بسپارش ژئوپلیمر ها فرآیندی است که از ترکیب تعداد زیادی از مولکول های کوچک با نام الیگومر ها با یک شبکه خلق شده توسط پیوندهای کووالانسی به وجود می آید. سنتز های ژئوشیمیایی معمولاً از طریق الیگومر ها صورت می گیرند که ساختار واحد و سه بعدی مولکول های بزرگ را به وجود می آورد. در سال ۲۰۰۰ T.W. Swaddle و تیم او اثبات کردند که مولکولهای آلومینوسیلیکات ایزوله و انحلال پذیر در محلولی با غلظت نسبتاً بالا و pH بالا وجود دارند. بزرگترین پیشرفت هایی که در این تحقیق صورت گرفت این مورد بود که مطالعه آنها در دمای بسیار پایین برابر با منفی ۹ درجه سانتی‌گراد صورت گرفت و مشخص شد که بسپارش الیگو سیالات ها در دمای اتاق در بازه زمانی برابر با ۱۰۰ میلی ثانیه صورت می گیرد که حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر سریعتر از بسپارش اورتوسیلیکات می باشد. واکنش یاد شده در دمای اتاق و یا دمای بالاتر از آن بسیار سریع بوده

و سرعت آن به اندازه‌ای زیاد است که نمی ‌توان آن را با استفاده از تجهیزات تحلیلی سنتی کشف نمود.

 

به کارگیری ژئوپلیمر ها برای تولید انواعی از محصولات تجاری

امکان تولید محصولات متفاوتی از ژئو پلیمرها وجود دارد و البته انواعی از محصولات نیز از این ماده ساخته می‌شوند. تعدادی از مصارف یاد شده همچنان در حال توسعه بوده و تعدادی دیگر هم اکنون صنعتی و تجاری شده اند. انواع مواد ژئوپلیمری و مصارف آن توسط موسسه ژئوپلیمر به سه دسته تقسیم شدند:

 

رزینهای ژئوپلیمری و بایندرها

  • تولید مواد مقاوم در برابر آتش و عایق سازی گرمایی فوم ها.
  •  کاشی های سرامیکی و مواد نسوز.
  •  سیستم های رزینی برخوردار از فناوری بالا، رنگ‌ها، بایندرها و ملات رقیق.
  •  فناوری های زیستی همانند موادی که برای تولید محصولات پزشکی به کار برده می شود.
  •  صنعت ریخته گری و ابزار سازی برای تولید ترکیبات فیبری ارگانیک.
  •  تولید کامپوزیت برای تعمیر زیر ساختارها و استحکام بخشی به آنها و همچنین تولید ترکیبات فیبر کربنی با فناوری بالا که در برابر آتش و گرما مقاوم می باشند و برای بخش داخلی هواپیما و خودرو به کار برده می شوند.
  • محدود سازی زباله های سمی و رادیواکتیو.

 

بتن و سیمان های ژئوپلیمری

           ·            تولید مواد ساخت و ساز با فناوری پایین مانند خاک آجر سازی

           ·             سیمان هایی با درصد پایین دی‌اکسید کربن و بتن.

 

مصارف ماده در حوزه هنری و باستان شناسی

  • آثار دستی دکوری و ساخته شده از سنگ.
  •  میراث فرهنگی باستان شناسی و تاریخی علمی.

 

حق اختراع اولین رزین ژئوپلیمری در سال ۱۹۷۹ به J. Davidovits اعطا شد. از سال ۱۹۷۹ تاکنون انواعی از رزینها، بایندرها و ملات های رقیق توسط صنعت شیمی در جهان تولید شدند. رزین های پلیمری سیلیکا محور و متاکائولین محور معمولاً برای اشباع سازی فیبر ها و موادی به کار برده می شوند تا بتوانند ترکیبات فیبری ماتریسی ژئوپلیمری را به وجود آورند. این محصولات در برابر آتش مقاوم می باشند و هیچ گونه بخار سمی و غیر سمی نیز تولید نمی کنند و توسط انواعی از موسسات بین‌المللی بزرگ همانند سازمان مدیریت هواپیمایی فدرال آمریکا مورد بررسی قرار گرفته و پیشنهاد شدند. سازمان یاد شده ژئوپلیمرهای کربنی را به‌عنوان بهترین ترکیبات برای تولید مواد ضد آتش (نسوز) معرفی کرد. موارد یاد شده میزبان های جذابی میباشند که قادرند تا زباله‌های هسته‌ای را بی حرکت سازند و این موضوع نیز ناشی از پایداری محیطی بالای آن ها و انعطاف پذیری آنها در برابر تغییرات ترکیباتی زباله ها می باشد. هم اکنون این مواد در سطح صنعتی برای بی حرکت سازی زباله های رادیواکتیو در جمهوری چک و اسلواکی به کار برده می شود.

 از آنجایی که اثرات هنری ژئوپلیمری شباهت زیادی با سنگ دارند، تعداد زیادی از هنرمندان از قالب های ساخته شده از لاستیک سیلیکون به منظور ریخته گری سازه های خود استفاده کردند. در حوزه مصارف این ماده در بخش باستان شناسی فردی با نام J. Davidovits در اواسط دهه ۸۰ اولین نتایج تحلیلی حاصل از سنگ های هرمی خالص را ارائه کرد و عنوان کرد که مصری های قدیم با نحوه انجام واکنش های ژئوپلیمری در ساخت بلوک های آهکی کاملا آشنا بودند. پس از این فرد نیز تعدادی از دانشمندان حوزه مواد و فیزیکدانان نیز به این مطالعات باستان ‌شناسی روی آورده و نتایج به دست آمده (به خصوص بر روی سنگهای اهرام مصر) را منتشر کردند. از زمان اولین تحقیق هایی که در روم باستان صورت گرفت، کاملاً مشخص است که حدود ۹۵ درصد از بتن ها و ملات های موجود در ساختمان های رومی از یک سیمان آهک بسیار ساده تشکیل شده اند که در طی رسوب گذاری دی اکسید کربن سخت می شوند و به تولید کلسیم سیلیکات هیدرات منجر خواهند شد.